Глава I

ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС

Первыми транспортными магистралями были водные пути. Поэтому промышленные предприятия строились преимуществен­но возле рек, которые использовались для транспортировки сырья и готовой продукции. Разделение труда и развитие промышлен­ных предприятий потребовало организации связи между отдель­ными цехами. Эта задача была решена путем использования колесного транспорта. Колесные тележки перемещались вруч­ную или конной тягой. Постоянство направлений грузопотоков в цехе или между цехами привело к использованию деревянного настила, по которому лошадь могла везти примерно в четыре раза больше груза, чем по земле. В дальнейшем стали исполь­зовать настил только под колесами тележек, так как расстояние между колесами было постоянным. В XVI в. в копях и рудниках появляются рельсы в виде лежней для колесных тележек — ва­гонеток. Гладкие продольные брусья, служившие рельсами, ле­жали на поперечных брусьях, зарытых в землю. Ободья колес делались широкими, что уменьшало число сходов с рельсов (рис. 1).

Первая попытка замены живой силы для передвижения ва­гонеток механической силой была сделана русским изобретате­лем Козьмой Дмитриевичем Фроловым. В начале шестидесятых годов XVIII в. Фролов установил на Карболихинском заводе на Алтае водяное колесо, приводившее в движение систему ма­шин и транспортные средства в пределах одного предприятия. Многие операции по переработке металла и транспортировке бы­ли механизированы [1].

Дальнейшее развитие промышленности потребовало эксплуа­тации топливных и сырьевых источников, находящихся вдали от рек и каналов. Однако использование этих ископаемых могло быть экономически оправдано лишь при значительном сокраще­нии расходов на транспортировку их к водным магистралям. Это заставило использовать рельсовый путь на значительных рас­стояниях. Известны также попытки отливки чугунных плит с желобами, по которым катили вагонетки. Катить вагонетки по желобам чугунных плит оказалось легче, и это, естественно, при­вело к мысли о замене деревянных рельсов чугунными.

Рис. 1. Телега на деревянных рельсах

Первая в мире железная дорога была построена известным русским инженером, талантливым конструктором Аникитой Сер­геевичем Ярцевым (1737—1819). Эта дорога служила для пере­броски продукции внутри доменного цеха и из доменного цеха в расточной. Общая протяженность дороги составляла 173,5 м, ширина колеи — около 0,8 м. Предполагается, что рельсы были уголкового типа. По горизонтальной полке катились колеса те­лежек, а вертикальная полка предохраняла от схода тележек с рельсов. Эта дорога была построена в 1788 г. на Александров­ском заводе в Петрозаводске. Рельсы представляли собой корот­кие чугунные бруски, уложенные в сплошную линию на камен­ных или деревянных опорах (рис. 2).

Несколько позже стали применять чугунные рельсы грибо­видного сечения. Для предотвращения сходов с рельсов было предложено делать гребни (реборды) у колес. Возможно, что мысль об изготовлении колес с гребнями возникла на основе опыта применения деревянных колес. В результате износа и смя­тия на широких ободьях деревянных колес или катков, двигав­шихся по рельсам, образовывались желобчатые канавки. Вслед­ствие постоянства расстояния между рельсами, эти канавки соответствовали колее. Таким образом, эксплуатация рельсового пути сама подсказала наиболее удобную форму колеса. На рис. 3 показана вагонетка с широкими деревянными колесами, имею­щими гребни с двух сторон.

С переходом на металлические рельсы пришлось перестроить и вагонетки, снабдив их металлическими колесами. Это позволило значительно увеличить грузоподъемность вагонетки. При этом колеса насаживались на ось наглухо, а ось вращалась в опорах. Металлические колеса изготовлялись с двумя гребнями и с цилиндрической поверхностью катания.

Имеются сведения, что крупный изобретатель Петр Кузьмич Фролов, сын. К. Д. Фролова, на построенной им на своем руд­нике чугунной дороге применил выпуклые рельсы, а колеса сде­лал вогнутыми с двумя гребнями.

Однако от двух гребней вскоре пришлось отказаться, так как они очень быстро изнашивались и вызывали значительное сопро­тивление движению при проходе вагонеток по кривым.

Рис. 2. Чугунные Рис. 3. Вагонетка с широкими деревянными

уголковые рельсы колесами

С введением выпуклого рельса и колеса с одним гребнем на­метился переход к современным железным дорогам.

Цилиндрическая поверхность катания колеса оказалась не­удобной вследствие того, что о рельс терся гребень одного коле­са, и поэтому колеса быстро выходили из строя. Выявилась це­лесообразность сделать поверхность катания колеса конической. Целесообразность такого профиля подтвердилась на практике, вследствие чего коническая форма поверхности катания колес существует и до настоящего времени.

Успех первых железных дорог привел к повсеместному их строительству. В течение короткого времени сетью железных дорог покрылись страны Европы и Америки.

Условия эксплуатации железнодорожных колес предъявляли очень высокие требования к их производству. Колеса должны были обладать надежностью в работе, прочностью и износостой­костью.

Прошло много лет, прежде чем были найдены соответствую­щие материалы для их изготовления и способы их обработки. Эти изыскания продолжаются и в настоящее время.

В начале прошлого столетия на железнодорожном транспор­те в основном применялись колеса из чугуна. Это совершенно понятно, так как ко времени изобретения локомотива производ­ство чугунного литья было хорошо освоено. В первых литых ко­лесах спицы и ступица отливались из чугуна, а обод изготов­лялся из железа. Однако в начальный период изготовления литых колес еще не умели придавать чугуну необходимую прочность и износостойкость. Поэтому колеса быстро изнашивались. Вслед­ствие этого их начали снабжать сменными железными банда­жами. Так в 1827 г. появились первые составные колеса. С это­го времени намечаются существующие и в настоящее время два направления в производстве колес: они изготовляются цельными или составными.

Дальнейшее развитие производства железнодорожных колес неразрывно связано с совершенствованием металлургической промышленности, основные вехи развития которой — изобрете­ние пудлингования, бессемеровского и мартеновского способов получения стали — оказывают непосредственное влияние на со­вершенствование способов производства железнодорожных ко­лес. В дальнейшем изложении развитие обоих указанных на­правлений рассматривается не во всем объеме, а лишь в части возникновения и развития способов, обусловивших современное состояние производства бандажей и цельнокатаных колес.

Бандажи для первых составных колес изготовлялись путем изгиба прокатанной полосы сначала прямоугольного, а впослед­ствии профильного железа и последующей сварки концов. Поло­су изгибали в горячем состоянии на оправке. Чтобы легче было снимать бандажи с оправки, последняя составлялась из несколь­ких сегментов, собранных в кольцо. Сегменты можно было сбли­жать и раздвигать клиньями, приводимыми в движение специ­альным винтом.

Бандажи, полученные изгибом и сваркой концов, после ме­ханической обработки надевались на диски из дерева или прес­сованной бумаги, а впоследствии — на железные диски. Соеди­нение с дисками осуществлялось с помощью болтов. Недостат­ком такого способа изготовления бандажей являлась невозмож­ность изгиба полосы точно по кругу. Это приводило к необхо­димости катать профильную полосу с большими припусками на обработку.

Стремление упростить изготовление бандажей и получать более правильную форму при изгибе привело к изобретению гибочной машины. На рис. 4 показана одна из первых гибочных машин, применявшихся для изготовления бандажей. Полосу вво­дили между роликами 1 и 2, установленными на валах 3 и 4, приводимых во вращение шестернями. Ролик 1 имел попереч­ное перемещение, благодаря чему мог прижимать полосу к ро­лику 2. Ролик 5, устанавливаемый в зависимости от заданного диаметра бандажа, регулировал кривизну полосы. Направляю­щий ролик 6 исключал возможность перекосов при изгибе.

Рис. 4. Машина для сгибания железных полос

Эта гибочная машина послужила прообразом изобретенного вскоре бандажепрокатного стана, который дал начало новому технологическому процессу производства бандажей: для прокатки подготовлялась заготовка кольцевого сечения, полученная при навивке горячей тонкой полосы на стальной цилиндр (рис. 5). Этот способ пришел на смену описанному выше вследствие того, что места сварки полос являлись слабым местом, что часто при­водило к разрывам бандажей в процессе эксплуатации.

Рис. 5. Навивка поло- Рис. 6. Лобовой прокатный стан

сы для бандажной

заготовки

Первые бандажепрокатные станы производили незначитель­ную вытяжку и скорее только выправляли заготовки и калибро­вали их по диаметру. На рис. 6 показан лобовой прокатный стан с двумя рабочими валками и двумя направляющими роликами.

Однако и способ изготовления бандажей из спирально нави­тых полос не получил широкого распространения, так как места сварки располагались нормально к поверхности катания, что также приводило к поломкам бандажей в процессе эксплуата­ции.

В середине прошлого столетия делались попытки изготовлять бандажи штамповкой. Для этой цели сгибали профильную по­лосу и помещали ее в нагретом состоянии в нижнюю матрицу 1 пресса (рис. 7). Верхней оправкой, вводимой в бандаж, опреде­лялся внутренний диаметр бандажа. Затем включали давление. Нижняя матрица 1 прижимала бандаж к верхней матрице 2, и место стыка бандажа сваривалось под сильным давлением, развивавшимся во всех направлениях.

Отметим, что уже в то время делались попытки получения биметаллических бандажей. С этой целью откованное железное кольцо, нагретое до соответствующей температуры, помещалось в чугунную форму. По окружности кольца оставляли зазор, в ко­торый заливалась сталь. Полученную таким путем заготовку проковывали и прокатывали.

Все описанные способы изготовления бандажей были сложны я малопроизводительны и поэтому не выдерживали конкуренции с быстро распинавшимися способами производства цельных чу­гунных колес. Однако последние уступали железным и в особен­ности стальным колесам по механическим свойствам, что заставляло изобретателей настойчиво работать над дальнейшим усовершенствованием производства колес.

Первые цельнокатаные бандажи из литой тигельной стали изготовлялись из плиты удлиненной формы с округленными концами, полученной путем проковки слитка. В каждом конце плиты просверливались отверстия диаметром 50 мм. Затем между этими отверстиями клином пробивалось продолговатое узкое отверстие, после чего плиту растягивали на роге наковальни, придавая заготовке грубое очертание бандажа. Последующей операцией была прокатка, в результате которой заготовка превращалась в бандаж с оформленными гребнем и поверхностью катания. При использовании высококачественной тигельной стали этот процесс гарантировал высокую прочность и износостойкость бандажей.

Рис. 7. Пресс для изготовления

бандажей

Несмотря на сложность технологии, для производства первых бандажей в России был использован именно этот процесс. Так, в 1867 г. в России, на Обуховском заводе, зародилось производство бандажей.

Быстрое развитие металлургической промышленности, появление новых высокопроизводительных способов получения стали – бессемеровского и мартеновского – послужило дальнейшим толчком к развитию нового способа производства катаных бандажей.

Было предложено изменить технологический процесс производства бандажей путем применения молота или пресса для прошивки круглого отверстия в заготовке. При этом слиток сначала осаживается в круглый диск, затем в центре диска прошивалось отверстие. Прошитая заготовка после проковки на роговом подвергалась прокатке.

Такой способ производства был принят на всех бандажепрокатных установках России, построенных главным образом в последние два десятилетия XIX в. Этот период характеризуется бурным развитием железнодорожного транспорта в России, вызвавшим строительство многих прокатных заводов, поставляв­ших транспорту рельсы и бандажи.

К числу заводов, имевших бандажепрокатные цехи, относятся: Кулебакский металлургический, Днепровский металлургический (1889),

Островецкий чугуноплавильный и железоделатель­ный (1886), Рижский вагоностроительный — «Феникс» (1895), Таганрогский металлургический (1896), Луганский паровозо­строительный, завод в Гуте Банковой и другие.

В основном описанная схема технологического процесса про­изводства бандажей сохранилась и до настоящего времени. Раз­витие процесса шло главным образом в направлении изменения и усовершенствования конструкций агрегатов, осуществляющих деформирование. Паровые молоты были заменены мощными гид­равлическими или парогидравлическими прессами. Значительно возросло значение бандажепрокатных станов, выполнявших ос­новную работу по увеличению диаметра разводки (т. е. кольце­вой заготовки, раскованной на роговом молоте) и дальнейшей калибровке и формированию обода.

Наиболее современным предприятием является построенный уже после Октябрьской революции бандажепрокатный цех Уральского завода (1939). Он оборудован мощными прессами и двумя бандажепрокатными станами, позволяющими прокаты­вать как вагонные, так и паровозные бандажи с большим диапа­зоном диаметров.

Успешное освоение нового технологического процесса произ­водства бандажей привело к использованию его и для производ­ства дисков и колес. Основные этапы технологического процесса при производстве дисков были следующие: ковка слитка под молотом или прессом и прошивка дыры, штамповка на прессе с образованием ступицы и последующая прокатка диска. Если конструкции молотов или прессов не требовали каких-либо изме­нений при изготовлении дисков, по сравнению с применяемыми для бандажей, то использовать полностью идею бандажепрокатного стана в производстве дисков на первых порах не уда­лось. Поэтому в основу дископрокатных станов на раннем эта­пе их использования был положен принцип устройства сортовых станов.

На рис. 8 показан один из первых дископрокатных станов. В вертикальной станине, обычной для станов сортовой прокатки, расположены два горизонтальных валка с калиброванными боч­ками. Калибр образует профиль обода раскатываемого колеса. Верхний валок имеет реборду, обжимающую наружную цилинд­рическую поверхность обода колеса. Бочка валков раскатывает часть диска, прилегающую к валку.

Колесная заготовка устанавливалась в стане в горизонталь­ном положении. При этом ступица заготовки насаживалась на вертикальную ось, закрепленную в специальных салазках. По мере раскатки колеса салазки перемещались вдоль оси валков. В рассматриваемой конструкции салазки расположены вне станин. На рис. 9 показаны два направляющих ролика, поддерживающих колесо в процессе деформирования.

Большим недостатком описанной конструкции, как и всех аналогичных последующих, являлось параллельное расположение деформирующих валков в стане. Различие окружных скоростей в точках соприкосновения реборды валка с обрабатываемой ею поковок поверхностью обода колеса вызывало значительные на­пряжения в металле и, как следствие, появление трещин и раз­рывов металла. Аналогичные явления наблюдались и в местах со­прикосновения диска колесной заготовки с валками.

Рис. 8. Один из первых дископрокатных станов

Попытка хотя бы частично устранить этот недостаток при­вела к установке, в стане специального ролика, обрабатывающего цилиндрическую поверхность обода прокатываемой заготовки (рис. 10). Установкой нажимного ролика 1 конструкторы устра­нили появление трещин и рванин на цилиндрической поверхно­сти обода. С другой стороны, наличие нажимного ролика способ­ствовало наилучшему формированию наружной поверхности обода. Именно установка нажимного ролика явилась одним из ре­шающих конструктивных мероприятий, позволивших в дальней­шем перейти от производства дисков к производству цельнокатаных колес с любым заданным профилем поверхности катания.

Целесообразность использования нажимного ролика была столь очевидной, что во всех более поздних конструкциях колесо­прокатных станов этот ролик был сохранен.

Вторым мероприятием, позволившим осуществить переход к производству цельнокатаных колес, явилось применение кониче­ских роликов для раскатки обода. Это потребовало установки шпинделей роликов, деформирующих диск и внутреннюю поверх­ность обода, под углом к оси заготовки. Последнее усложнило конструкцию стана, но устранило появление трещин и плен на поверхностях обода.

Рис. 9. Направляющие ролики для удержания диска

в процессе прокатки

Рис. 10. Дископрокатный стан с нажимным роликом

Рис. 11. Колесопрокатный стан с коническими роликами

Одна из ранних конструкций колесопрокатного стана с кони­ческими роликами показана на рис. 11.

Характерно, что уже в первый период развития колесопрокат­ных станов с коническими роликами были предложены кон­струкции станов как с вертикальным, так и с горизонтальным расположением заготовки в стане.

Дальнейшее совершенствование колесопрокатных станов шло главным образом по пути изменения конструкции привода и на­жимных устройств, а также способа удержания колесной заго­товки в стане в рабочем положении. Это потребовало изменения и усложнения поддерживающих конструкций стана. Ручной при­вод стана заменяется механическим. В некоторых конструкциях нажимные винты заменяются системой гидравлических цилинд­ров, обеспечивающих необходимое давление и своевременное и быстрое манипулирование рабочими валками. Вращающийся вхолостую, закрепленный на неподвижной оси нажимной ролик заменяется роликом или системой роликов, регулируемых с помощью механического или гидравлического привода (рис. 12 и 13).

Расположение колесной заготовки в горизонтальной плоско­сти позволило удерживать ее в процессе прокатки с помощью нажимных и направляющих роликов, производящих одновре­менно раскатку поверхности катания и выкатку гребня колеса, и отказаться таким образом от закрепления колесной заготовки на оси. При расположении колеса в процессе прокатки в верти­кальной плоскости необходимость в оси или в специальных устройствах для установки колесной заготовки в стан остается.

Рис. 12. Колесопрокатный стан с приводным нажимным роликом

К числу первых заводов в России, построивших установку для производства колесных центров, относится Рижский вагоностроительный завод «Феникс». Впоследствии, в период первой мировой войны, дископрокатная установка была смонтирована и на Сормовском заводе, который является поставщиком катаных колесных центров вагоностроительным заводам.

Современные колесопрокатные установки отличаются мощными прессами и колесопрокатными станами, имеющими широко разветвленную гидравлическую систему нажимных устройств.

К числу наиболее совершенных отечественных колесопрокат­ных установок относятся установки, подробное описание которых дано ниже.

Советскими конструкторами создана мощная колесопрокат­ная установка для Уральского завода. Усовершенствования, вне­сенные при конструировании основных агрегатов прессо-прокатного оборудования, позволяют сократить число операций, сни­зить их продолжительность и добиться существенного увеличения производительности. По производительности новый советский стан оставляет далеко позади новейшие, запроектированные в по­следние годы заграничные станы. Советскими конструкторами были широко использованы достижения новаторов-колесопрокат­чиков, разработавших на действующей колесопрокатной уста­новке новые приемы работы и усовершенствовавших технологию колесопрокатного производства. Советские ученые и технологи явились достойными продолжателями дела пионеров русского паровозо- и вагоностроения.

Рис. 13. Колесопрокатный стан с гидравлическим приводом

для нажимного ролика

Социалистический транспорт с его невиданными для стран капитализма темпами развития, огромными грузопотоками и гру­зооборотами, при контрастных климатических условиях страны ставит перед производителями колес все новые и новые задачи по повышению износостойкости и прочности железнодорожных колес. Поэтому именно советской науке принадлежат наиболее серьезные исследования в области термической обработки желез­нодорожных бандажей и колес. Отечественными учеными разра­ботана теория износа колес в эксплуатации. Советские ученые в тесном содружестве с производственниками продолжают рабо­тать над повышением качества и износостойкости бандажей и колес. В настоящее время ведутся комплексные исследования по разработке новой технологии термической обработки колес.